CN109928508A - 一种利用单星藻生物膜贴壁培养处理含金属沼液的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种利用单星藻生物膜贴壁培养处理含金属沼液的方法，尤其用于去除废水中难处理的金属元素。本发明所使用的单星藻是一种单细胞绿藻，富含类胡萝卜素与蛋白。利用高价值单星藻处理畜禽废水后并资源化利用，可产生较高的经济价值，进而也降低藻类处理废水的成本，提高经济效益。而且单星藻的生物膜贴壁培养从一开始就固定在一定的膜材料上，培养过后只需简单刮取就可以达到采收的目的。而且镶嵌于膜材料中的部分藻细胞，不要重新接种，可以再次循环培养利用，大大降低了成本。

Description

一种利用单星藻生物膜贴壁培养处理含金属沼液的方法

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，特别涉及一种利用单星藻生物膜贴壁培养处理含金属沼液的方法。

背景技术

畜禽养殖产生的污染，尤其是畜禽废水中N、P及重金属污染给水体生态环境与人类安全健康造成严重危害，已经成为农业面源污染的主要来源。值得注意的是，由于部分饲料中存在超量金属元素制剂等原因，解决畜禽废水中金属元素污染问题已成为处理畜禽废水的重点和难点。传统处理含金属沼液废水技术在可操作性、稳定性及经济成本等方面还有待于进一步改善。

利用微藻培养处理畜禽废水已有不少研究报导，但是畜禽废水污染物成分复杂性、高浓度性，尤其是废水中富含重金属等特征使得微藻处理废水并资源化利用的技术受到了限制。因此，筛选新的净化效果佳、可耐受重金属废水的藻株成为关键。同时，传统微藻培养技术在处理废水后采收成本高，提高了微藻处理废水的经济成本。因此，开发高效、低成本的微藻培养与畜禽废水净化体系极为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用单星藻生物膜贴壁培养处理含金属沼液的方法，尤其用于去除废水中难处理的金属元素；从而解决沼液废水处理不完全、处理成本高的问题。

本发明首先提供单星藻的一种新用途，是单星藻在处理水体中重金属的应用；

本发明还提供一种处理含金属沼液的方法，是使用单星藻来处理含金属沼液；

其一种实施例的具体方式，是使用单星藻生物膜贴壁培养来处理含金属的沼液；

所述的含金属的沼液，其一种实施例的具体记载为养猪场的沼液；

所述的生物膜贴壁培养的制备方法是将单星藻的藻细胞与培养基分离后，将藻细胞将固定在生物膜贴壁培养材料上，使藻细胞处于半干湿润状态进行培养，最终制成生物膜贴壁培养。

本发明所使用的单星藻是一种单细胞绿藻，富含类胡萝卜素与蛋白。利用高价值单星藻处理畜禽废水后并资源化利用，可产生较高的经济价值，进而也降低藻类处理废水的成本，提高经济效益。而且单星藻的生物膜贴壁培养从一开始就固定在一定的膜材料上，培养过后只需简单刮取就可以达到采收的目的。而且镶嵌于膜材料中的部分藻细胞，不要重新接种，可以再次循环培养利用，大大降低了成本。

附图说明

图1：单星藻贴壁培养装置示意图；

图2：单星藻在高氨氮、金属铜与正常培养基的比较研究图；

图3：单星藻与小球藻去除氨氮、铜离子的效率比较图。

具体实施方式

申请人通过对微藻进行研究的时候，发现单星藻对沼液废水的氨氮与重金属具有很好的处理效果。将单星藻利用贴壁技术来制备生物膜贴壁培养。相比于传统液体悬浮培养，生物膜贴壁培养是将藻细胞与培养基相分离，并固定在一定生物膜贴壁培养材料上，极少量培养基液体通过附着多孔材料的背面或内部滴入以使藻细胞处于半干湿润状态，并在一定光照强度与CO₂浓度下进行生长的培养方式，其在培养过程中的取样和培养后的采收均比传统液体悬浮培养更为经济简便。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细的描述。

实施例1：单星藻的处理重金属的效果

本实施例筛选耐受高浓度氨氮和高浓度铜离子的生长条件，且在该环境下生长速率较快的藻株。

1)所使用的培养基中的N元素的供给全部使用NH₄Cl提供氮源。以氨氮耐受性为指标，分别设置200mg·L^-1(0.5944g·L^-1NH₄Cl)、400mg·L^-1(1.1889g·L^-1NH₄Cl)、800mg·L^-1(2.3778g·L^-1NH₄Cl)、1000mg·L^-1(2.9722g·L^-1NH₄Cl)、1600mg·L^-1(4.7556g·L^-1NH₄Cl)5个梯度的NH₄ ⁺-N浓度(括号中为每升溶液应称取的NH₄Cl的质量)。

2)以Cu²⁺耐受性为指标，设定0.5mg·L^-1(1.953125mg·L^-1CuSO₄·5H₂O)、1mg·L^-1(3.90625mg·L^-1CuSO₄·5H₂O)、2mg·L^-1(7.8125mg·L^-1CuSO₄·5H₂O)3个梯度的Cu²⁺浓度(括号中为应称取的CuSO₄·5H₂O的质量)。

3)根据藻株使用培养基的差异性，最终分别配制得到的藻株不同氨氮浓度和不同铜离子浓度下对应的有15种培养基(5个氨氮浓度梯度×3个铜离子浓度)。15种培养基中的氨氮浓度和铜离子浓度的情况为：①200mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+0.5mg·L^-1Cu²⁺浓度；②200mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+1.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；③200mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+2.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；④400mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+0.5mg·L^-1Cu²⁺浓度；⑤400mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+1.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；⑥400mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+2.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；⑦800mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+0.5mg·L^-1Cu²⁺浓度；⑧800mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+1.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；⑨800mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+2.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；⑩1000mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+0.5mg·L^-1Cu²⁺浓度；1000mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+1.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；1000mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+2.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；1600mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+0.5mg·L^-1Cu²⁺浓度；1600mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+1.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；1600mg·L^-1NH₄ ⁺-N浓度+2.0mg·L^-1Cu²⁺浓度；

筛选步骤：依次取活化完毕的藻种在无菌操作台上接种100ml于250ml三角瓶中(藻量：培养液量＝1:10)，将接种后的三角瓶置于光照4000Lux，室温20±1℃条件下，进行连续24h光照培养，每天早中晚摇瓶3～4次，随机调整位置，保证光照均匀。

待各藻株生长大约至对数期，将培养在三角瓶中的藻液分装于50mL离心管在5000r/10min离心，然后用超纯水洗净藻液，备用；此阶段培养微藻时间约15d。

取离心后的藻液5mL于10mL离心管中同时再加入该藻株使用的培养液5mL，将离心管中的10mL混合液混合均匀后，取2mL混合藻液置于24孔板中的一孔，每一个梯度的藻液做两个平行样。依次向24孔板中加入15个梯度的混合藻液。按此方法依次进行24孔板接种培养。接种完毕后，将24孔板四周密封，置于恒温培养箱中，温度24±1℃、光照4000Lux，每天上午9:00左右测定孔板中藻液的OD₆₈₀，共计培养12d。

培养12d结束时，将每个孔板中的藻液分别用枪吸出置于5mL离心管中，避光处理后，测定藻液的光合活性。

对单星藻在相同条件下分别培养于正常培养基(对照组)，及额外添加NH₄-N、Cu²⁺浓度分别是600mgL-1、2.0mg L-1的培养基中(实验组)，结果表明单星藻在富含高浓度NH₄-N、Cu²⁺的培养液中生长与正常培养基相差不大，培养8天后，生物量最终分别是51.1gm^-2和52.8gm^-2(图2)；最终确定单星藻为处理废水的藻种。

实施例2：制备生物膜贴壁培养

1、制备生物膜贴壁培养的过程

本发明所用单星藻藻种培养所用反应器为玻璃柱式反应器，内直径0.045m，柱高0.60m,工作体积0.99L。反应器内部布置直径5mm的玻璃通气管，混合有1％CO₂体积比的压缩空气(0.10MPa)以1mL·s^-1的通气速率通过通气管从反应器底部鼓泡,从而将藻液搅动并补充碳源。培养过程中连续光照,培养柱表面光强80μmol·(m²·s)^-1，培养温度25±1℃。

贴壁培养反应装置(图1)为一块长0.50m，宽0.25m，厚3.5mm的玻璃板置于0.60m×0.35m×0.06m(长×宽×高)的玻璃腔中，将玻璃板的一面附滤纸，并接受正上方的光照。将单星藻藻种经过培养至对数期后，以初始接种浓度约8.0gm-2d-1接种于醋酸纤维素膜上，再将其附着于玻璃板的滤纸上，将附有藻种的玻璃板放入玻璃腔内，通过循环泵滴加保持藻细胞附着材料的湿润状态，同时为保障玻璃腔内的稳定环境，用保鲜膜封住玻璃腔的一面。为了培养液更均匀的渗入藻细胞内，将玻璃培养缸放置一定角度，LED灯置于培养腔正上方提供光源。猪粪沼液废水贴壁培养单星藻藻时未通CO₂，以空气鼓泡代替，每2d取样一次，共培养8d。其他外界培养条件与藻种液体培养条件相同。

2、生物膜贴壁培养的使用效果

将筛选的单星藻(实验组)与普通小球藻(对照组)在富含高浓度NH₄-N、Cu²⁺的培养液中比较研究，结果表明，单星藻在去除废水中金属Cu²⁺较小球藻有较好的优势，分别是78.2％、56.8％(图3)。

实施例3：生物膜贴壁培养处理养猪沼液

将猪场经厌氧发酵的养猪沼液采集，并在实验室静置1天后，收集上层沼液至于实施例2制备的单星藻生物膜贴壁培养装置中，在光强80μmol·(m2·s)-1，培养温度20±1℃，未通CO₂条件下贴壁生长，培养周期为8天，每2天取样，测定藻细胞的生物量，并考察单星藻去除沼液中氨氮、TP、COD及金属Cu、Fe、Zn等的去除效率。

表1：养猪沼液废水各生化指标初始浓度

结果表明，相比于正常培养，单星藻在养猪沼液中生物产率为5.2g.m^-2.d^-1，高于正常培养基的值(4.6g.m^-2.d^-1)。而且，培养8天后，沼液中氨氮、TP、COD及金属Cu、Fe、Zn的去除效率分别是90.2％、61.3％、71.2％、68.4％、75.8％、69.4％(表1)。经筛选获得的单星藻，尤其在氨氮去除效率方面具有较好的优势。

Claims (6)

1.一种单星藻的用途，其特征在于，所述的用途是在处理水体中重金属与氨氮的应用。

2.如权利要求1所述的用途，其特征在于，所述的水体为养猪场的沼液。

3.一种处理含金属溶液的方法，其特征在于，所述的方法是使用单星藻来处理含金属溶液。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的处理含金属溶液是使用单星藻生物膜贴壁培养来处理。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的生物膜贴壁培养的制备方法是将单星藻的藻细胞与培养基分离后，将藻细胞固定在生物膜贴壁培养材料上，使藻细胞处于半干湿润状态进行培养，最终制成生物膜贴壁培养。

6.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述的含金属的溶液为养猪场的沼液。